CN102508346B - 一种用于复合波片光轴对准的装夹装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供的一种用于复合波片光轴对准的装夹装置，该装置包括电控旋转台、固定波片卡盘和旋转波片卡盘；波片支架安装在电控旋转台，固定波片卡盘与电控旋转台基座连在一起，旋转波片卡盘与电控旋转台转盘连在一起，使用时，将安装有晶片的波片支架安装在固定波片卡盘和旋转波片卡盘上。本发明提供的装夹装置可以实现在对复合波片光轴进行高精度对准时，对组成复合波片的各晶片进行夹持，并保证不同晶片间能产生高精度高分辨率的相对转动。与现有波片夹具相比，本发明所提供的装夹装置不仅能够实现对两片晶片的夹持和精确定位，而且能够使两片晶片间产生高精度高分辨率地相对转动，更适合用于复合波片光轴的对准过程。

Description

一种用于复合波片光轴对准的装夹装置

技术领域

本发明属于光学仪器元件设计制造领域，具体涉及一种用于复合波片光轴对准的装夹装置，它适用于在对复合波片中两片或多片晶片的光轴进行精确对准与标定时各晶片的夹持与运动控制。

背景技术

波片(也可以称为晶片。本发明中我们称由两片或多片晶片组成的波片为复合波片，而称组成复合波片的单片波片为晶片，以示区别。在不做特别区别时，将复合波片和晶片统称为波片。)是光学仪器设计与光学测量领域中常用的光学元件，它能够使偏振光的两个垂直分量产生附加光程差(或相位差)，从而可用于改变光波的偏振态(例如从线偏振光变成圆偏振光，从椭圆偏振光变成线偏振光等)，或者检查光波的偏振态。制作波片的材料通常有云母、石膏、氟化镁、蓝宝石、结晶石英等单轴或双轴晶体。复合波片是由若干片晶片组合而成，且各晶片的光轴互成一定的角度。其中，由两片或多片相同材料的晶片构成的复合波片可用于改善波片的精度，称为非消色差复合波片；而由不同种材料的两片或多片波片组合而成的复合波片可用于消除波片本身的色差，称为消色差复合波片。复合波片的这种改善波片精度及消除波片本身色差的性能是单片晶片所不能达到的，因此使得复合波片在光学仪器设计与光学测量中获得了广泛的应用，如用于制作旋转补偿器等。在实际应用中，为了保证复合波片的总相位延迟精度以及仪器测量的精度，往往要求组成复合波片的各片晶片的光轴严格对准标定。

从一些波片生产公司来看，实际生产应用中对于复合波片的对准多采用手动方式凭经验进行对准，即首先固定其中的一片晶片，然后手动转动另外一片晶片，通过肉眼比较复合波片的实际相位延迟与理想相位延迟之间的差别。当复合波片的实际相位延迟与理想相位延迟之间的差别达到可以接受的程度即认为复合波片已经对准完毕。对于由多片晶片组成的复合波片，可以首先将组成复合波片中的两片晶片进行对准，然后将已对准的由两片晶片组成的复合波片看作一片晶片再与其他晶片依次进行对准。这种手动对准方式，虽然操作过程相对简单，对准精度不高，对于一般应用场合能够满足对复合波片性能要求，但是对于一些对复合波片对准精度要求较高的应用场合(如用作旋转补偿器)往往难以满足测量的精度要求。

美国宾夕法尼亚州立大学的柯林斯等人(R.W.Collins et al.，J.Opt.Soc.Am.A，Vol.18，PP.1980-1985，2001)提出了一种自动的复合波片光轴对准方法，该方法将待对准复合波片安装在一高精度旋转台上，然后将高精度旋转台置于旋转检偏器式椭偏仪的样品台上，并将旋转检偏器式椭偏仪的起偏臂和检偏臂对打以测量偏振光透过复合波片之后的振幅比值。在对准过程中，由高精度旋转台来控制晶片的转动，通过观察椭偏仪所测得的偏振光透过复合波片之后振幅比值高频振动幅值的大小来实现复合波片的对准。

关于波片夹持方面的研究已经有很多，但在复合波片对准与标定过程中，波片的夹持与普通夹持有较大的区别，这方面的研究较少。至于复合波片对准运动控制方面的研究就更少见诸报道。柯林斯等人的对准方法提供了一种复合波片精确对准的方法，但并没有对波片的夹持及其运动控制展开详细的叙述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于复合波片光轴对准的装夹装置，可用于复合波片光轴精确对准过程中对各晶片的夹持及运动控制。

本发明提供的一种用于复合波片光轴对准的装夹装置，其特征在于，该装置包括电控旋转台、固定波片卡盘和旋转波片卡盘；

波片支架安装在电控旋转台，固定波片卡盘与电控旋转台基座连在一起，旋转波片卡盘与电控旋转台转盘连在一起，使用时，将安装有晶片的波片支架安装在固定波片卡盘和旋转波片卡盘上。

本发明提供的装夹装置可以实现在对复合波片光轴进行高精度对准时，对组成复合波片的各晶片进行夹持，并保证不同晶片间能产生高精度高分辨率的相对转动。

具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1)在将晶片放入支架的过程中要注意，不要划伤晶片表面，晶片与支架之间不能产生相对运动。晶片与支架安装好之后，将其中一片晶片及其支架放入固定波片卡盘的波片放置台上，另外一片晶片及其支架放入到旋转波片卡盘的波片放置台上；

(2)旋转台与步进电机、控制器要配套使用。由于复合波动光轴的对准精度取决于电控旋转台步进电机的旋转精度和分辨率，因此应用中要选择旋转分辨率不低于所要求的复合波片对准精度的步进电机和控制器；

(3)固定波片卡盘和旋转波片卡盘的加工精度要高，尤其是其波片放置部分及其定位部分。卡盘上的波片放置台平行度要好，同时其波片定位部分要能使波片与放置台精确定位并实现波片夹紧，而与电控旋转台的定位部分要能实现与电控旋转台的精确定位和固定；

(4)整套装夹装置的各个部件所选择的材料和结构尺寸，以不影响晶片的光学性能和通光孔径为标准。

与现有波片夹具相比，本发明所提供的装夹装置不仅能够实现对两片晶片的夹持和精确定位，而且能够使两片晶片间产生高精度高分辨率地相对转动，更适合用于复合波片的对准过程。

附图说明

图1是本发明所提复合波片光轴对准用装夹装置结构示意图，其中，图(a)为其主视图，图(b)为其俯视图；

图2是波片支架的结构示意图，其中，图(a)为其主视图，图(b)为其左视图；

图3是电控旋转台结构示意图，其中，图(a)为其主视图，图(b)为其俯视图；

图4是固定波片卡盘结构示意图，其中，图(a)为其主视图，图(b)为其俯视图；

图5是旋转波片卡盘结构示意图，其中，图(a)为其主视图，图(b)为其俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的复合波片光轴对准用装夹装置的结构和功能作进一步详细说明：

如图1所示，本发明提供的用于复合波片光轴对准的装夹装置包括电控旋转台18、固定波片卡盘19和旋转波片卡盘20。

波片属于精密光学元件，通常制作波片的晶体材料脆而易碎，直接对晶片进行夹持很容易破坏晶片。为了便于晶片的夹持，专门设计的晶片支架是十分必要的。本发明采用波片支架17对波片起到支撑和保护作用，以便于波片夹持与对准工作顺利进行。

为了使复合波片的两片晶片光轴对准到较高精度，需将复合波片安装在电控旋转台18上，使得组成复合波片的各晶片之间相对产生一定角度的旋转。由于最终复合波片的对准精度很大程度上取决于旋转台的旋转分辨率和精度，因此对电控旋转台18的精度和分辨率要求较高。市场上已有很多成熟的此类产品，如北京天瑞中海精密仪器有限公司的ERS系列旋转台产品，这类产品将旋转台、步进电机和控制器配套使用，可以产生高精度高分辨率的旋转运动，并且旋转台工作面提供许多定位孔便于工件定位和夹紧。

固定波片卡盘19与电控旋转台18基座连在一起，对准时不发生转动。固定波片卡盘19在复合波片对准过程中对晶片起到固定和支撑作用。

旋转波片卡盘20与电控旋转台18转盘连在一起，当电控旋转台18工作时，与电控旋转台上的转盘一起做高精度和高分辨率地转动。旋转波片卡盘包括转盘定位孔、波片定位孔和波片放置台等部分，在复合波片对准过程中对晶片起到固定和支撑作用，并带动晶片随电控旋转台18转盘一起做高精度高分辨率地转动。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图2所示，波片支架17包括支架主体1、垫圈2和波片定位孔4，其中3为安装在支架17上的晶片。

支架主体1可用轻质金属或硬质塑料制作，对波片起支撑和保护作用；垫圈2，对波片起保护作用；经过加工后的晶片3，满足设计厚度要求，并已进行光轴的初步标定；波片定位孔4，根据实际情况可选择用定位螺丝或定位销将波片与波片卡盘连接在一起，对晶片进行定位和夹紧。整个支架能够实现对晶片的支撑保护作用，支架主体和垫圈的尺寸不影响晶片的通光孔径及其光学性能。

如图3所示，电控旋转台18包括转盘5、旋转台基座6、步进电机9、控制器10。

转盘5上开有用于固定工件的工件定位孔8，中间还开有用于透光的通孔。旋转台基座6内装有传动装置，是旋转台的主体部分。旋转台基座6上开有台阶孔7，用于连接固定波片卡盘19。转盘5与旋转台基座6相连。控制器10与步进电机9相连。当控制器10控制步进电机9工作时，旋转台基座6本身不转动，转盘5可带动与之通过定位孔8固定在一起的工件产生高精度和高分辨率地转动。

如图4所示，固定波片卡盘19包括支柱11、固定波片定位孔12和固定波片放置台13。

支柱11用于将固定波片卡盘19与旋转台基座6相连；固定波片定位孔12与支架17上的波片定位孔4相对应，通过此定位孔，使支架17与固定波片卡盘19连接在一起；将安装有支架的晶片放在波片放置台13上，并用销钉或螺钉将支架与固定波片卡盘连接在一起。整个固定波片卡盘与旋转台基座6连在一起，对波片及其支架其支撑和定位作用，对准时不发生转动，并与旋转波片卡盘20之间配合使得对准过程两晶片间高精度高分辨率的旋转运动得以实现。

如图5所示，旋转波片卡盘20包括旋转波片定位孔14、转盘定位孔15和旋转波片放置台16。

旋转波片定位孔14与支架17上的波片定位孔4相对应，通过此定位孔，使波片与旋转波片卡盘固定；转盘定位孔15使卡盘20与转盘5连在一起，使之与转盘一起运动；将安装有支架的晶片放在波片放置台16上，并用销钉或螺钉将支架与选择波片卡盘连接在一起。整个旋转波片卡盘与电控旋转台连在一起，对波片及其支架其支撑和定位作用，对准时与转盘5一起做高精度和高分辨率地旋转运动，与固定波片卡盘19之间配合使得对准过程两晶片间高精度高分辨率的旋转运动得以实现。

电控旋转台18、步进电机9和控制器10配套使用，可从市场上购买得到；固定波片卡盘19与旋转台基座6相连，两者之间精确定位夹紧，对准时两者不发生相对运动；旋转波片卡盘20与旋转台转盘5相连，两者之间精确定位夹紧，对准时随转盘一起做高精度高分辨率的旋转运动，两者之间不发生相对运动；组成复合波片的各晶片及其支架与波片卡盘19和20之间精确定位夹紧，对准时支架和卡盘之间不发生相对运动；固定波片卡盘19与旋转波片卡盘20的相对位置保证固定晶片和旋转晶片之间保持较高的同轴度和平行度。

复合波片光轴对准用装夹装置的装配顺序和操作步骤如下：

Step1：将待对准复合波片安装在波片支架17中，用垫圈2将波片固定保护好，保证波片平面与支架平面间保持较高的平行度；

Step2：将待对准复合波片的两片晶片及其支架分别安装到固定波片卡盘19和旋转波片卡盘20中，用定位螺丝或定位销将各晶片及其支架与卡盘19和20精确定位并夹紧，使支架平面与卡盘放置平面间保持较高的平行度。

Step3：将安装好的旋转波片卡盘20与电控旋转台转盘5连接，保证旋转波片卡盘定位孔15与转盘定位孔8精确定位，用定位销将二者固定夹紧，保证转盘与卡盘接触平面间具有较高的平行度；

Step4：将安装好的固定波片卡盘19与电控旋转台基座6连接，保证固定波片卡盘的定位支柱11与基座的定位孔7精确定位，保证基座平面与卡盘相应平面间具有较高的平行度，保证固定晶片和旋转晶片具有较高的平行度和同轴度；

Step5：将步进电机9安装到旋转台基座6上；

Step6：将电控旋转台控制器10通过数据接口与电控旋转台18相连。

通过以上步骤便可以将本发明的复合波片光轴对准用装夹装置的各零部件组装成复合波片光轴对准用装夹装置。

该夹具能够实现预期功能关键在于三个方面：

(1)电控旋转台的步进电机和控制器的分辨率及精度，这将直接决定复合波片的对准精度；

(2)波片支架、卡盘等零部件的加工精度，面与面之间的平行度，圆孔的圆度、同轴度等都会对该夹具实现复合波片夹持和对准产生一定的影响；

(3)夹具各安装部件之间的定位精度、安装精度等也会对复合波片的夹持和对准产生影响。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种用于复合波片对准的装夹装置，其特征在于，该装置包括电控旋转台（18）、固定波片卡盘（19）和旋转波片卡盘（20）；

固定波片卡盘（19）与电控旋转台（18）基座连在一起，旋转波片卡盘（20）与电控旋转台（18）转盘连在一起，使用时，将安装有波片（3）的波片支架（17）安装在固定波片卡盘（19）和旋转波片卡盘（20）上；

波片支架（17）包括支架主体（1）、垫圈（2）和支架波片定位孔（4）；支架主体（1）上开有支架波片定位孔（4），波片通过垫圈（2）安装在支架主体（1）上；

电控旋转台（18）包括转盘（5）、旋转台基座（6）、步进电机（9）和控制器（10）；转盘（5）上开有用于固定工件的工件定位孔（8），中间还开有用于透光的通孔，旋转台基座（6）内装有传动装置，是旋转台的主体部分；旋转台基座（6）上开有台阶孔（7），用于连接固定波片卡盘（19），转盘（5）与旋转台基座（6）相连；控制器（10）与步进电机（9）相连；

固定波片卡盘（19）包括支柱（11）、固定波片定位孔（12）和固定波片放置台（13）；支柱（11）用于将固定波片卡盘（19）与旋转台基座（6）相连；固定波片定位孔（12）与支架（17）上的支架波片定位孔（4）相对应；旋转波片卡盘（20）包括旋转波片定位孔（14）、转盘定位孔（15）和旋转波片放置台（16）；

旋转波片定位孔（14）与支架（17）上的支架波片定位孔（4）相对应，通过此定位孔，使波片与旋转波片卡盘（20）固定；转盘定位孔（15）使旋转波片卡盘（20）与转盘（5）连在一起，使之与转盘一起运动。